專利名稱：一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種自動鋼琴，具體地說，涉及鋼琴的驅(qū)動裝置、檢測裝置和靜音裝置。
鋼琴是樂器之王，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電腦的普遍應(yīng)用，使鋼琴在保持原有的傳統(tǒng)優(yōu)勢外，更賦予它許多功能，從而滿足人們欣賞、練習(xí)、教學(xué)等多層面的需要。
如發(fā)明專利“用于致動自動鋼琴中的螺線管樂器的方法和裝置”(申請日1997.8.27；申請?zhí)?7199196.0)，其中樂器數(shù)字接口(MIDI)速度值被轉(zhuǎn)換成螺線管驅(qū)動信號，由螺線管驅(qū)動信號致動計數(shù)器，并按照螺線管驅(qū)動信號由計數(shù)器激勵螺線管。中央處理單元(CPU)從數(shù)據(jù)存儲裝置中讀出MIDI數(shù)據(jù)，并從存儲中只讀存儲器(ROM)中的查閱表中選擇相應(yīng)的螺線管驅(qū)動參數(shù)。螺線管驅(qū)動參數(shù)被包含計數(shù)器的驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制波形。PWM信號被發(fā)送到和螺線管相連的場效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)的控制極，并且螺線管按照PWM信號被FET激勵。
又如發(fā)明專利“鍵盤樂器及其中使用的位置檢測裝置和發(fā)光控制裝置”(申請日1999.9.18；申請?zhí)?9122380.2)，是一種自動演奏鋼琴，它具有一個位置探測裝置，用來探測黑/白鍵的當(dāng)前位置，該位置探測裝置使光束穿過黑/白鍵的軌跡，其中，位置探測裝置存儲了光量度的相對值與當(dāng)前位置之間的可變關(guān)系，以便確定其當(dāng)前位置，這樣，該位置探測裝置便可以保證當(dāng)前位置的可靠性，使之不受時間的影響。
本實用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，而提供一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型是在原傳統(tǒng)綱琴上通過加裝一套微電腦和執(zhí)行機(jī)構(gòu)而成為一種全新的鋼琴，要求具有以下三種功能，并采用單獨鉆孔的工藝①自動演奏功能，是在鋼琴全部琴鍵及踏板下面裝有一套驅(qū)動裝置，主要是電磁鐵，電磁鐵由內(nèi)置的微電腦驅(qū)動，微電腦通過解讀已錄制好的鋼琴演奏信息，控制驅(qū)動電磁鐵電流的大小和時間的長短，使能模擬人彈奏鋼琴力度及長短的變化。由于微電腦的運行速度非常高，因而非常完美地還原鋼琴演奏家的彈奏技巧，甚至還能演奏出鋼琴演奏家無法彈奏的技法。
②錄制功能，是在鋼琴全部琴鍵及踏板下面裝有一套檢測裝置，主要是電子傳感器，電子傳感器與內(nèi)置的微電腦相連。當(dāng)鋼琴演奏者彈奏鋼琴時，微電腦通過電子傳感器準(zhǔn)確地記錄演奏者彈奏的力度及時間的長短，將彈奏的旋律及感情以電子信息的形式記錄下來，供以后在鋼琴上回放或供電子合成系統(tǒng)合成電子音樂。
③靜音功能，是在鋼琴的琴槌與琴弦之間加裝一套機(jī)械裝置，當(dāng)機(jī)械裝置被置位時，琴槌被機(jī)械裝置阻擋而不能撞擊琴弦。此時彈奏鋼琴，是無法發(fā)聲的。采用上述機(jī)械裝置，微電腦可以采集演奏者全部的彈奏信息。根據(jù)彈奏信息，微電腦可實時地合成電子音樂并通過揚聲器或耳機(jī)播放出來。
④還有，本實用新型驅(qū)動機(jī)構(gòu)的安裝一般都需要將鋼琴中盤靠近鋼琴的琴板處整體切下。這樣，一方面切割操作比較困難，另一方面由于鋼琴中盤切割下的面積較大，對鋼琴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響也相應(yīng)增加。考慮到這些原因，本實用新型采用了單獨鉆孔的工藝，使驅(qū)動機(jī)構(gòu)的安裝對鋼琴中盤的破壞減小到最小程度。這樣的方案對驅(qū)動電磁鐵的定位精度要求則更高，本實用新型的設(shè)計則能精確定位，滿足要求。
下面詳細(xì)說明驅(qū)動裝置包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電路，驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由脈沖式直流電磁鐵組成。88個電磁鐵被固定在一整塊鋁合金型材上，每個電磁鐵在排列線上都可以自動調(diào)整，以適應(yīng)不同型號的琴型，鋁合金安裝板可以上下左右及前后調(diào)整，然后緊固下來。電磁鐵芯上安裝有一支非磁性頂桿，頂桿上方安裝有橡膠頭，電磁鐵芯及頂桿位于每個琴鍵擊弦機(jī)的正下方。這樣，電磁鐵芯運動，可以恰好擊中擊弦機(jī)。同時擊弦機(jī)正下方鉆88個孔對鋼琴中盤的破壞最小，電磁鐵不與立式琴板發(fā)生任何接觸，不會對鋼琴強(qiáng)度與音樂聲學(xué)性能產(chǎn)生任何影響。
檢測裝置包括檢測機(jī)構(gòu)和檢測電路，檢測機(jī)構(gòu)采用光電管并加遮光片的結(jié)構(gòu)。遮光片通過一支小的扭力彈簧與琴鍵接觸，琴鍵上不加裝任何裝置，因而安裝極為簡單。當(dāng)琴鍵被彈奏時，琴鍵帶動遮光片向下運動。遮光片被加工成一種流線型的形狀。當(dāng)遮光片向下運動時，使遮住的光線逐步增加，使遮光片的物理位置與光通量呈線性關(guān)系，這樣測出光電管的電信號就可以測得琴鍵的物理位置，即可達(dá)到記錄鋼琴的演奏信息。由于鋼琴的延音踏板沒有力度變化，只記錄踩下與抬起兩種狀態(tài)，因而比琴鍵記錄簡單，只用一個微動開關(guān)檢測即可。
電磁鐵的驅(qū)動電壓為經(jīng)過調(diào)制的60V脈沖電壓，樂曲的控制信息經(jīng)系統(tǒng)CPU解釋為鍵值時間與強(qiáng)度的二進(jìn)制編碼，傳至FPGA可編程芯片，由FPGA分解成各個電磁鐵的脈沖信號，信號經(jīng)場效應(yīng)管放大后驅(qū)動電磁鐵芯工作。
由于FPGA為硬件時序，可以高效地完成高頻脈沖時序，F(xiàn)PGA的時鐘為4MHz，脈寬分辨率為7位二進(jìn)制，CPU將地址信息即鍵的編碼0-87和延音踏板88號鍵傳至FPGA后，接著傳動作強(qiáng)度信息，其中強(qiáng)度0為鍵位抬起信號，強(qiáng)度127為最強(qiáng)音，由于電磁鐵芯的靜磨擦的存在，強(qiáng)度信號與電控信號不為線性，電控信號存在一個閾值，F(xiàn)PGA的強(qiáng)度值以4MHz為基頻調(diào)制成0-100％占空比的控制信號，同時疊加上電磁鐵靜磨擦的電控信號閾值，傳給功率電路部分，最后驅(qū)動電磁鐵運動。
電路軟硬件都采取了保護(hù)設(shè)計，每個控制信息都采用冗全校驗和編碼校驗和錯誤的信息被認(rèn)為是干擾信息予排除，并請求重新傳送。
每個動作的彈奏時間限制在4秒以內(nèi)，若樂曲單鍵動作超過4秒則需要傳送第二幀彈奏信息，若出現(xiàn)干擾誤動作電磁鐵不會長期通電造成電磁鐵燒壞。
CPU通過定時掃描光電管，將全部88個鍵掃描一遍，測出鍵的當(dāng)前位置。當(dāng)有鍵被按下時，CPU掃描到該鍵時測得的光信號就會減弱，根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)，即可算出該鍵的物理位置。
為了得到標(biāo)定數(shù)據(jù)，檢測裝置在出廠前及使用過程中需要標(biāo)定操作。標(biāo)定過程分兩步進(jìn)行第一步琴鍵在自然狀態(tài)，記錄下此時的光電信號，對于光電信號小于設(shè)計值的還需通過D/A轉(zhuǎn)換器提高發(fā)光二極管的激勵電壓，使其能夠工作在線性范圍；第二步將琴鍵用均勻的力度按到底，記錄下此時的光電信號，這樣就得到了琴鍵的整個行程位置信號參考值，在此范圍內(nèi)所有信號均可以計算出其物理位置。裝置組成有CPU，移位計數(shù)器作88鍵掃描用，D/A轉(zhuǎn)換器作調(diào)整發(fā)光二極管發(fā)光量用。
AMP放大器為測定光電信號放大器。
A/D高速8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換光電信號。
CPU將琴鍵的位置信息，按照MIDI的規(guī)范將其轉(zhuǎn)化為MIDI的標(biāo)準(zhǔn)信息，實現(xiàn)記錄、轉(zhuǎn)存交流的目的。
在鋼琴上加裝一個機(jī)械裝置，當(dāng)該裝置被置位時，鋼琴的琴鍵被擋桿擋住，演奏者彈奏時琴鍵不能撞擊琴弦，因而不能發(fā)聲；整個演奏系統(tǒng)只有琴槌不能運動，琴鍵仍然運動自如，演奏者彈奏手感沒有發(fā)生任何變化。此時錄音裝置正常工作，演奏者每一個彈奏細(xì)節(jié)仍然能被準(zhǔn)確地檢測出來；彈奏信息包括鍵值強(qiáng)度、時長等。通過電子合成技術(shù)將彈奏信息實時地合成鋼琴聲，經(jīng)過功率放大再通過有線或無線耳機(jī)播放出來，將鋼琴模擬地演奏給特定的人員聽。
本實用新型具有以下優(yōu)點和積極效果①本實用新型通過對鋼琴自動演奏、錄音和靜音的有機(jī)結(jié)合，全面提升傳統(tǒng)鋼琴的性能。
②本實用新型通過運用先進(jìn)的微電子技術(shù)，將演奏、錄音、靜音三個相對獨立的功能集成在一起，使其功能更加強(qiáng)大、靈活，增加了系統(tǒng)的可靠性。
③本實用新型性能價格比高，操作方便。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明


圖1為本實用新型組成框圖；圖2為驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖3為檢測機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；圖4為驅(qū)動電路圖；圖5為檢測電路圖；圖6為光電轉(zhuǎn)換電路圖；其中1-微電腦；2-驅(qū)動裝置；3-檢測裝置；4-耳機(jī)播放裝置；5-記錄及存貯裝置；6-操作及顯示面板；2.1-驅(qū)動機(jī)構(gòu)，2.1.1-電磁鐵，2.1.1.1-電磁鐵芯，2.1.1.2-電磁線圈，2.1.2-琴板，2.1.3-頂桿，2.1.4-橡皮頭，2.1.5-安裝螺栓；2.2-驅(qū)動電路，2.2.1-放音控制電路CPU，2.2.2-波形發(fā)生器，2.2.3-功率放大器，2.2.4-上位機(jī)接口，2.2.5-電磁鐵芯接口；3.1-檢測機(jī)構(gòu)，3.1.1-光電管，3.1.2-遮光片，3.1.3-扭力彈簧，3.1.4-琴鍵；3.2-檢測電路，3.2.1-光電管電路接口，3.2.2-光電管反饋信號放大電路，3.2.3-檢測電路CPU，3.2.4-上位機(jī)接口，3.2.5-掃描電路。
由
圖1、圖2、圖3可知，本實用新型由微電腦1和分別與微電腦1相互連結(jié)的驅(qū)動裝置2、檢測裝置3、耳機(jī)播放裝置4、記錄及存貯裝置5、操作及顯示面板6組成；驅(qū)動裝置2由相互連結(jié)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)2.1和驅(qū)動電路2.2組成；檢測裝置3由相互連結(jié)的檢測機(jī)構(gòu)3.1和檢測電路3.2組成。
在放音時，微電腦通過記錄及存貯裝置5將演奏信息讀取出來，經(jīng)過解碼，將解碼后的控制信息傳送給驅(qū)動機(jī)構(gòu)2.1，電磁鐵芯2.1.1.1在電流的作用下而上下運動，帶動琴鍵3.1.4發(fā)聲。
在錄音時，檢測裝置3將檢測到的琴鍵3.1.4的位置信息送給微電腦1，微電腦1將其轉(zhuǎn)換為文件格式信息后傳送給記錄及存貯裝置5記錄下來。
在靜音時，微電腦1將琴鍵3.1.4的位置轉(zhuǎn)換成控制信息傳送給耳機(jī)播放裝置4，耳機(jī)播放裝置4將控制信息合成為鋼琴聲播放出來。
由圖2可知，驅(qū)動機(jī)構(gòu)2.1由電磁鐵2.1.1、頂桿2.1.3、橡皮頭2.1.4組成，電磁鐵2.1.1包括電磁鐵芯2.1.1.1和電磁線圈2.1.1.2；電磁鐵2.1.1由安裝螺栓2.1.5緊固在琴板2.1.2上，電磁鐵芯2.1.1.1上端固定有頂桿2.1.3，頂桿2.1.3上端安裝有橡皮頭2.1.4。由此可見，當(dāng)電磁線圈2.1.1.2得電后，電磁鐵芯2.1.1.1及頂桿2.1.3向上運動，頂桿2.1.3通過橡皮頭2.1.4緩沖，再撞擊到琴鍵3.1.4上使琴弦發(fā)聲。
由圖3可知，檢測機(jī)構(gòu)3.1由光電管3.1.1、遮光片3.1.2、扭力彈簧3.1.3組成，遮光片3.1.2為一種流線型的形狀；在安裝光電管3.1.1的支架上還安裝有扭力彈簧3.1.3，扭力彈簧3.1.3上連接有遮光片3.1.2，遮光片3.1.2置于琴鍵3.1.4下。由此可見，當(dāng)琴鍵3.1.4被演奏者按下時，帶動遮光片3.1.2向下運動，遮光片3.1.2由于位置不同則遮到光電管3.1.1的光也有不同，通過檢測光電管3.1.1光通量的大小，即可檢測琴鍵3.1.4的位置。
由圖4可知，驅(qū)動電路2.2由放音控制電路CPU2.2.1、波形發(fā)生器2.2.2、功率放大器2.2.3組成；放音控制電路CPU2.2.1的輸入端通過上位機(jī)接口2.2.4與微電腦1相連接，輸出端與波形發(fā)生器2.2.2相連接；波形發(fā)生器2.2.2與功率放大器2.2.3相連接，功率放大器2.2.3通過電磁鐵芯接口2.2.5與電磁線圈2.1.1.2相連接。由此可見，微電腦1的控制信息由上位機(jī)接口2.2.4傳入放音控制電路CPU2.2.1，再將控制信息分配到波形發(fā)生器2.2.2，波形發(fā)生器2.2.2將控制信息分解為電磁鐵2.1.1的驅(qū)動電平，驅(qū)動電平經(jīng)功率放大器2.2.3放大后，由電磁鐵芯接口2.2.5傳給電磁線圈2.1.1.2。
由圖5可知，檢測電路3.2由放大電路3.2.2和檢測電路CPU3.2.3組成，并相互連接；放大電路3.2.2通過接口3.2.1與光電管3.1.1相連接，檢測電路CPU3.2.3通過上位機(jī)接口3.2.4與電腦1相連接。由此可見，光電管3.1.1的位置模擬量信號由接口3.2.1傳入，經(jīng)放大電路3.2.2后傳入檢測電路CPU3.2.3，檢測電路CPU3.2.3再將信號轉(zhuǎn)化為位置信息后經(jīng)上位機(jī)接口3.2.4傳入微電腦1。
由圖6可知，光電轉(zhuǎn)換電路由光電管3.1.1與掃描電路3.2.5組成并相互連接，掃描電路3.2.5通過接口3.2.1與檢測電路CPU3.2.3相連接。由此可見，光電管3.1.1由掃描電路3.2.5驅(qū)動后，將檢測信號由接口3.2.1傳入檢測電路CPU3.2.3。
本實用新型使用方法是放音時，將帶有鋼琴彈奏的軟盤插入軟驅(qū)，此時控制器顯示屏顯示第一首曲子的曲名，按 鍵則顯示第二首曲子的曲名，再按則繼續(xù)向前；按 則相反，向前尋找曲名。按 則開始彈奏；按 則暫停；按“□”則停止彈奏；按紅色“○”鍵則開始錄音；按“□”鍵則錄音結(jié)束。
由于本實用新型具有多功能，性能價格比高，操作方便，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求1.一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，含有普通的鋼琴和常用的耳機(jī)播放裝置(4)、記錄及存貯裝置(5)、操作及顯示面板(6)，其特征在于加裝一套微電腦(1)和驅(qū)動裝置(2)、檢測裝置(3)，即其由微電腦(1)和分別與微電腦(1)相互連結(jié)的驅(qū)動裝置(2)、檢測裝置(3)、耳機(jī)播放裝置(4)、記錄及存貯裝置(5)、操作及顯示面板(6)組成；驅(qū)動裝置(2)由相互連結(jié)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2.1)和驅(qū)動電路(2.2)組成；檢測裝置(3)由相互連結(jié)的檢測機(jī)構(gòu)(3.1)和檢測電路(3.2)組成。
2.按權(quán)利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特征在于驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2.1)由電磁鐵(2.1.1)、頂桿(2.1.3)、橡皮頭(2.1.4)組成；電磁鐵(2.1.1)包括電磁鐵芯(2.1.1.1)和電磁線圈(2.1.1.2)；電磁鐵(2.1.1)由安裝螺栓(2.1.5)緊固在琴板(2.1.2)上，電磁鐵芯(2.1.1.1)上端固定有頂桿(2.1.3)，頂桿(2.1.3)上端安裝有橡皮頭(2.1.4)。
3.按權(quán)利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特征在于檢測機(jī)構(gòu)(3.1)由光電管(3.1.1)、遮光片(3.1.2)、扭力彈簧(3.1.3)組成；遮光片(3.1.2)為一種流線型的形狀；在安裝光電管(3.1.1)的支架上還安裝有扭力彈簧(3.1.3)，扭力彈簧(3.1.3)上連接有遮光片(3.1.2)，遮光片(3.1.2)置于琴鍵(3.1.4)下。
4.按權(quán)利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特征在于驅(qū)動電路(2.2)由放音控制電路CPU(2.2.1)、波形發(fā)生器(2.2.2)、功率放大器(2.2.3)組成；放音控制電路CPU(2.2.1)的輸入端通過上位機(jī)接口(2.2.4)與微電腦(1)相連接，輸出端與波形發(fā)生器(2.2.2)相連接；波形發(fā)生器(2.2.2)與功率放大器(2.2.3)相連接，功率放大器(2.2.3)通過電磁鐵芯接口(2.2.5)與電磁線圈(2.1.1.2)相連接。
5.按權(quán)利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特征在于檢測電路(3.2)由放大電路(3.2.2)和檢測電路CPU(3.2.3)組成，并相互連接；放大電路(3.2.2)通過接口(3.2.1)與光電管(3.1.1)相連接，檢測電路CPU(3.2.3)通過上位機(jī)接口(3.2.4)與電腦1相連接。
6.按權(quán)利要求1所述的一種由微電腦控制的自動多功能鋼琴，其特征在于光電轉(zhuǎn)換電路由光電管(3.1.1)與掃描電路(3.2.5)組成并相互連接，掃描電路(3.2.5)通過接口(3.2.1)與檢測電路CPU(3.2.3)相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種自動鋼琴,具體地說,涉及鋼琴的驅(qū)動裝置、檢測裝置和靜音裝置。為了在原傳統(tǒng)綱琴上通過加裝一套微電腦和執(zhí)行機(jī)構(gòu)而成為一種全新的鋼琴,本實用新型由微電腦和分別與微電腦相互連結(jié)的驅(qū)動裝置、檢測裝置、耳機(jī)播放裝置、記錄及存貯裝置、操作及顯示面板組成;驅(qū)動裝置由相互連結(jié)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電路組成;檢測裝置由相互連結(jié)的檢測機(jī)構(gòu)和檢測電路組成。由于具有多功能,性能價格比高,操作方便,因此有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G10F1/02GK2497390SQ0125191
公開日2002年6月26日 申請日期2001年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月18日
發(fā)明者張?zhí)觳? 王建業(yè), 郭步高 申請人:武漢科恒工控工程有限責(zé)任公司